Ciclul Clausius -Rankine (ciclul centralelor termice)

Ciclul complet al unei inst. de forta cu abur, in cea mai simpla expresie a sa, se poate realiza in cond. urmat., in regim permanent de funct.: in caldarea a (fig.1) se incalz. apa la presiune const., de la temperatura de alim. pana la pctul. de fierbere, apoi se vaporizeaza.

Fig.1 Schema intuiti-va a unei inst. de forta cu abur.

In timpul vaporizarii apa isi mareste foarte mult vol. (daca se lucreaza sub pres. critica), deci are nevoie de un sp. suplimentar ptr. acest scop (sp. de abur al caldarii). Vaporizarii ii urmeaza, de obicei, supraincalzirea in supraincalzitorul b. Numai inst. f. mici, cum sunt locomoti-vele, mai funct. fara supraincalzitor. Dupa aceea, aburul intra in turbina c, in care se destinde adiabatic (teoretic) producand lucru mecanic. Din turbina aburul este evacuat in condensa-torul d, unde se lichefiaza, cedandu-si caldura de vapori-zare apei de racire. Aceasta apa de racire, ptr. condensa-tor, formeaza un circuit secundar. Condensul produs in condensator este adus la pres. din caldare cu ajutorul pompei de alim. e si apoi este introdus in caldare, dupa ce se adauga apa proaspa-ta, ptr. acoperirea pierderilor.

Atat vaporizarea apei, cat si utilizarea aburului, reprezinta procese indirect utile producerii de energ. mecanica. Aceasta se produce de fapt numai in cadrul existentei aburului (saturat sau supra-incalzit), deci in cadrul fazei gazoase. Trecerea la faza lichida este insa necesara, deoarece apa lichida are unele avantaje de transmi-tere a caldurii si de comprimare, care nu pot fi neglijate.

Fig.2 Ciclul Clausius -Rankine in diagrama T-s.

Daca se reprez. in diagrama T-s ciclul complet al unei inst. de forta cu vapori, se obt. un ciclu motor ca cel din fig.2, valabil atat pentru cazul cand aburul se destinde intr-o mas. cu pist., cat si ptr. cazul cand destind. are loc in turbina. Acest ciclu s.n. ciclul Clausius-Rankine direct. In acest ciclu, curba 1-2 reprez. incalz. apei in calda-re, 2-3 - fierberea in caldare, 3-4 - supra-incalzirea aburului in supraincalzitor. Curba 1-2-3-4 este o izobara, deoarece, in regimul permanent de lucru al inst., presiunea din caldare nu trb. sa varieze. Curba 4-5 reprez. destind. izentropica a aburului in masina (cu piston sau turb.), 5-6 - condensarea aburului evacuat in condensator si 6-1 - pomparea apei (com-primare izentropica), pentru introd. ei in caldare. Atat pompa-rea, cat si mai ales destind. aburului in masina, se produc de fapt neizentropic, deci cu crestere de entropie, ceea ce insa, pentru conside-ratiile ce urmeaza, nu are mare importanta.

Ciclul din fig.2 corespunde utilizarii aburului supraincal-zit, dar el poate fi trasat si pentru abur saturat uscat, in care caz destinderea (ptr. acelasi interval de pres.) incepe in punctul 3 si continua pana in punctul 5". In cazul aburului umed, destind. incepe in punctul 3' si continua pana in 5' (tot intre pres. p si p₀). Ciclul original descris de Clausius si Rankine era ptr. abur saturat uscat sau umed, deoarece in acel timp inca nu incepuse utilizarea curenta a aburului supraincalzit.

Lungimea segm. 6-1 a fost de fapt, com-parativ cu celelalte segm. care formeaza diagrama, mult exagerata in fig.2, ptr. a deosebi izobara 1-2 de curba limita, cu care aproape se confunda. Segm. real este proport. mult mai mic.

Ciclul Clausius-Rankine se deoseb. de ciclul Carnot prin introducerea de cald. in timpul incalz. apei de la 1-2 la pres. const. si temp. cres-catoare. Daca s-ar cauta sa se realiz. ciclul Carnot cu abur, atunci conden-sarea nu s-ar efectua complet ci numai pana in b₁, dupa care ar urma ca amestecul de abur cu apa sa fie comprimat izentropic de-a lungul verticalei b₁-2, cand si aburul existent in amestec trebuie sa se conden-seze. Executarea unei comprimari de acest fel nu este posibila, deoarece amestecul de apa cu abur care se condenseaza pericliteaza insasi existenta cilindrului si pist. pompei. Dc. se condenseaza tot aburul evacuat din masina, deci se ajunge in punctul 6, atunci, ptr. a ridica temp. lichidului pana la T₂ prin compri-mare ar fi necesar un raport f. mare de comprimare, ceea ce nu ar fi util ptr. ciclu.

In cele ce urmeaza, se calc. l. m. produs in cazul cand aburul este utilizat intr-una dintre cele trei stari din diagrama din fig.2. Inainte de destind., marimile de stare se noteaza fara indice, iar dupa destindere cu indicele 0.

Astfel:

a)Pentru abur satu-rat uscat cu entalpia i", l. m. produs va fi L= i"-i₀. Entalpia i₀ din pct. 5" (fig.2) se poate exprima ca diferenta suprafetelor 0-g-6-h-e si 5"-h-e-c, prin valorile marimilor de stare pe curba limita si se obtine:

b)Pentru abur umed cu titlul x si entalpia , supraf. corespunza-toare l. m. este 1-2-3'-5'-6, deci este cu 3'-3-5"-5 mai mica decat in cazul anterior. Supraf. 2-3-c-b fiind egala cu caldura de vaporizare r, rezulta ca supraf. 3'-3-5"-5 este Deci l. m. este:

c)Pentru abur supra-incalzit, cu entalpia i, l. m. L_S=i-i₀ corespunde supraf. 1-2-3-4-5-6, iar ental-pia i₀ in pct. 5 al destind. este egala cu supraf. 0-g-6-5-d-0, adica cu mai mica decat entalpia i" de la curba limita. In acest mod, ptr. l. m. al aburului supraincal-zit se poate scrie:

Daca starea finala ramane tot in dome-niul supraincalzit (ceea ce se intampla rar la masinile cu abur si nici nu este de dorit sa se intam-ple), atunci l. m. se poate calc. cu ec. pv^x=const., daca se ia x=1,3 si se obtine:

Mai simplu si mai exact se det. l. m. teoretic - ptr. toate domeniile - cu ajut. diagramei i-s. In diagrama din fig.3 grupa de curbe 1-2-a-b este imaginea unui ciclu Clausius-Rankine realizat cu abur supraincalzit, iar l. m. este dat direct de diferenta ordonatelor punctelor 1 si 2, adica:

indiferent de starea initiala a aburului.

Fig.3 Ciclul Clausius -Rankine in diagrama i-s

Deoarece aceasta ec. se aplica in mod general, chiar si fenomenelor ireversi-bile, ea poate reda si l. m. produs de mas. reale. Dc. perpendi-culara 1-2 la abscisa corespunde destind. izentropice de la pres p la p₀ intr-o masina fara pierderi prin frecari si strangulari (destind. adiabatica reversibila), expansi-unea adiabatica, (insa nu izentropica) in masina reala, care are astfel de pierderi, se termina in pct. 3 al izobarei p₀. Caderea termica 4-2 reprez. procentul de pierderi, iar orizontala 4-3 reprez. transformarea cu entalpie const., caracteristica pier-derilor prin frec., sau prin strangulare. L. m. va fi atunci proportional numai cu i₁-i₄. Acest procedeu de det. a l. m. produs de masina reala se folos. f. mult la studiul turb. cu abur sau gaze, deoarece - la aceste turbine - toate trans-formarile insotite de pierderile interne ale aburului sunt carac-terizate prin entalpie const.

Influenta param. aburului asupra ciclului Clausius-Rankine

a)Al doilea principiu al termodinamicii arata, in mod cu totul general, ca randam. transformarii caldurii in l. m. este cu atat mai mare, cu cat cald este introdusa in ciclul de transformari la o temp. mai mare si cu cat partea care nu se transforma in l. m. se evac. la o temp mai scazuta. Evident ca acest lucru este valabil si ptr. masi-nile cu abur. Evac. aburului in conden-sator trb. sa se faca la o temp. cat mai mica, iar supraincal-zirea ar urma sa se faca la o temp. cat mai mare.

Limita min. a temp. din condensator este data, insa, de temp. apei de racire a acestuia, care ne sta la dispozitie. Aceasta apa preia cald. de vaporizare a aburului evac. si o cedeaza mediului ambiant, evac. facandu-se, de obicei, prin trecerea apei de racire printr-un turn de racire (in cazul aproape gene-ral al circuitului inchis, asigurat si ptr. apa de racire a condensatorului). Apa va avea, deci, in acest caz, o temp. sup. celei ambiante, chiar dc. funct. turnului de racire este foarte eficace. In timpul trecerii prin condensator, apa de racire se va incalzi de la t₁ la t₂, deci temp. de condensare a aburului in conden-sator va trb. sa fie mai mare decat t₂, pentru a asig. trans-ferul de cald. numai in sensul abur apa de racire. De aceea se poate scrie:

unde: t_C - temp de condensare a abur. in condensator; Dt'= t_C - t₂ - diferenrta de temp. admisa la constructia conden-satorului; Dt" - diferenta de temp. pe care este capabil s-o produca turnul de racire.

Formulele de mai sus reprez. conditiile fara de care funct. condensatorului nu este posibila. Cu cat diferenta Dt' va fi mai mare, cu atat dimens. condensato-rului vor fi mai mici, deci condensatorul va fi mai ieftin, dar cu atat si pierderile termice ale inst. vor fi mai mari.

b)Dc. pres. (si temp. de fierbere) din caldare cresc, sporul de l. m. al ciclului Clausius-Rankine nu creste in aceeasi proportie ca la ciclul Carnot.

Fig.4 Influenta pres. aburului proaspat la aceeasi supraincalzi-re asupra eficacitatii ciclului

In fig.4 s-au redat aceste variatii ptr. abur supraincalzit la 400^oC, avand pres. de fierbere de 20, 100 si 150 ata. Se vede ca, prin creste-rea pres. din caldare, supraf. diagramei creste intr-o parte, iar in alta parte scade. Dc. cresterea supraf. este compensata de scaderea de la supra-incalzire, sporul de pres. din caldare nu mai este rentabil.

c)Prin supraincalzi-rea aburului, supraf. reprezentative ale l. m. al ciclului cresc, cum se vede in fig.5, unde este redata situatia la 30 at si 300^oC, 400^oC si 500^oC.

Fig.5 Influenta supraincalzirii aburului asupra eficacitatii ciclului.

Supraincalzirea are, deci, ca efect marirea neta a supraf. utile a ciclului Clausius-Rankine, precum si evacuarea aburului din masina cu un titlu din ce in ce mai mare. Titlul aburului, la evacuare, are o mare importanta, in special la turb. cu abur, care funct. defectuos si cu mari efecte corozive in treptele de pres. joa-sa, dc. titlul aburului din ele scade sub cca. 0,9. Ptr. aceeasi temp. de supraincal-zire si aceeasi pres. de condensatie, titlul devine din ce in ce mai mic, cu cat pres. din caldare devine mai mare.

Temp. de supraincal-zire nu poate fi aleasa insa oricat de mare, deoarece supraincalzitorul, conductele de trans-port pentru abur si primele trepte ale turb., ar necesita materiale rezistente la temperaturi mari, care sunt f. costisi-toare. In special, mat. ptr. supraincalzitor este expus pe de-o parte gazelor de ard. fierbinti si cu actiune coroziva si pe de alta parte aburului, care are un coef. de trans-fer de cald. mult mai mic decat al apei. Din acest motiv, temp. atinsa de mat. tevilor supraincalzi-torului poate ajunge la valori inadmisibile ptr. mat. uzuale in constr. supraincalzitoarelor.

Prin supraincalzire creste, insa, si randam. ciclului, desi nu in masura supra-incalzirii. Din acest pct. de vedere, cu cat pres. aburului este mai mare, cu atat efectul supraincalzi-rii, la aceeasi temp. finala, este mai redus. De aceea temp. de supraincal-zire trb. sa creasca concomitent cu pres. aburului. In prezent se utilizeaza aproape exclusiv aburul supraincalzit si in cazul inst. mai modeste, in special ptr. ca el micsoreaza pierderile din masina si cele de pe con-ductele de transport.

In ultimul timp, si in special in cazul unitatilor mari, se obisnuieste aplicarea unei supraincalziri intermediare, care are ca efect atat marirea randam. ciclului Clausius-Rankine cat mai ales cresterea continutului acestui ciclu (supraf. utile), deci l. m. pro-dus. In acest scop se procedeaza in modul urmator (fig.6):

Fig.6 Ciclul Clausius -Rankine cu suprain-calzire intermediara.

Se destinde aburul in etajele de pres. inalta ale turb., aprox. pana la ating. curbei lim. Apoi se duce din nou aburul intr-un supra-incalzitor suplimen-tar de pres. joasa, plasat de obicei tot in circuitul de gaze al caldarilor de abur, sau intr-un amplasa-ment special (dupa posibilitati) si se supraincalzeste tot pana aproape la temp initiala de suprain-calzire. Aburul este apoi condus la etajele de pres. joasa ale turb., unde se destinde pana la pres. din condensator. Prin aceasta, se mai realizeaza si un titlu mai ridicat pentru aburul din ultimele trepte ale turb., care adesea sufera din cauza umezelii prea mari a aburului.

Procedeul suprain-calzirii intermediare devine chiar necesar, daca pres. initiala a aburului este mare, caci titlul aburului in ultimele trepte ale turb devine prea mic. Avand in vedere complicatia inst. de readucere a aburului in supraincalzitorul intermediar si mai ales vol. mult mai mare al aburului destins, ea se aplica, insa, numai la unitatile mari, unde o economie de caldura de 1% poate com-pensa si chiar intrece costul mai ridicat al inst. Procedeul supraincalzirii inter-mediare se aplica de obicei impreuna si cu alte masuri de majo-rare a randam. agrega-tului, cum ar fi regenerarea cicl., care are avantajul micsorarii debitului de abur din ultimele trepte ale turbinei.

Dc. tot aburul din masina este evacuat in condensator, masi-na s. n. cu conden-satie. In acest caz, utilizarea energ. termice in scopul producerii de energ. mecanica se face in cond. mai bune, dar nu se obt. cel mai bun randament al utilizarii cald. din ciclu. Adeseori, insa, o parte din aburul de pres. joasa este necesar procesului tehnologic dintr-o uzina. In acest caz, aburul respectiv este derivat de la masina (de obicei turb., ptr. ca aburul care circula prin turb. nu se murdareste cu ulei de uns, asa cum se intampla in cazul masinilor cu pist.), dupa ce a atins pres. corespunzatoare, iar restul de abur este lasat sa se destinda pana la pres. din condensator. Aceasta derivare de abur se poate efectua si in mai multe trepte, la pres. diferite. Masi-na, in acest caz, s. n. cu derivatie sau cu prelevare de abur. Dc. aburul deviat din masina serveste la preincalzirea apei de alim. a caldarii, masina s. n. cu rege-nerare. Dc. tot aburul trecut prin masina este evacuat la o pres. mai mare decat aceea care s-ar putea obtine in condensa-tor, fie ptr. a putea fi utilizat in scopuri tehnologice sau ptr. incalzire, fie pur si simplu ptr. a evita condensatorul, masi-na s.n. cu contrapres.

Fig.7 Consumul de cald. al turb. cu condensatie in fct. de pres. aburului proaspat; a - curba consumului min. ptr. abur cu temp. t = 520 ^oC si fara suprain-calzire intermediara;

b - curba consumului min. ptr. ciclul cu t_S =520^oC si cu supra-incalzire intermedi-ara tot la 520 ^oC.

Din fig.7 se vede ca randam. unei turb. cu abur creste conside-rabil, dc. simultan cu majorarea put. turb. (blocul energetic) se produce si o majora-re a pres., la aceeasi pres. a aburului proaspat, care in fig. este de 520^oC. Curba a din fig. leaga intre ele minimele de consum de cald. obt. cu turb. de diferite put. (2,5; 6,4; 12,5 si 32 Mw), in cazul cand aburul se destinde prin turb. fara supraincalzire intermediara. Se vede ca, chiar in acest caz, o turb. de 32 Mw lucreaza cu un randam. de 29,6 % la pres. de cca. 90 ata, randam. compa-rabil cu al mot Diesel fara supraalimentare.

Curba b din fig leaga intre ele minimele de consum obt. cu turb. mai mari (64; 100; 150 si 500 Mw), in cazul cand aburul sufera in timpul destinderii si o supra-incalzire intermedi-ara tot pana la 520^oC, ca si supraincalzirea initiala. La 150 Mw, randam. turb. atinge valoarea de 35,8% dc. pres. este aprox. cea critica.

Fig.8 Consumul de cald. cel mai favora-bil al turb. cu con-densatie in fct. de put. si de temp. aburului (curbele trasate plin sunt valabile ptr. supra-incalzire intermedi-ara iar cele intrerupte fara supraincalzire intermediara)

In fig.8 este trasat cel mai favorabil con-sum de cald. al turb. cu condensatie in fct. de put. la diferite temp. de abur proas-pat t_S, temp. de supraincalzire inter-mediare t_i si contra-pres. in condensator. Curbele trasate plin sunt valabile cu supraincalzire intermediara.

Abur la pres. crit. si supracritica

Dupa cum s-a putut vedea anterior, spori-rea pres. aburului peste cca 150 ata nu mai imbunatateste sensibil randam. agregatului, daca nu este insotita si de o crestere corespunza-toare a supraincal-zirii, iar costul caldarii si al turb. devine f. ridicat. De aceea, in prezent, majoritatea caldarilor si turb. se constr. la pres. max. de cca. 100 ata, dc. put. ceruta nu depaseste cca. 100 Mw de unitate.

Dc. vrem totusi sa marim si mai mult pres., asa cum se procedeaza la inst. mai mari de 100 Mw, trb. sa ne apropiem de pct. critic, sau chiar sa-l depasim, deoarece nu mai este necesara caldarea cu vol. mare ptr. separa-rea aburului de apa, deci se elimina o piesa costisitoare si greu de executat in acest caz (datorita pres. si temp. mari). La aceste pres., apa poate fi vaporizata si supraincalzita numai intr-un tub suficient de lung. O astfel de caldare, construita din mai multe tuburi conectate in paralel si de lungime apreci-abila, este si caldarea Benson.

Dc. se incalzeste apa, care curge printr-un tub cu pres. de cca. 225,4 ata, cu o sursa de cald. uniform repartizata pe lung., at. temp. t a apei variaza conform curbei din fig.11.

Fig.11 Curbele t si v in fct. de i la incalzi-rea apei intr-un tub

Curba de temp. urca mai intai aproape liniar in lungul tubu-lui, cand se incalzes-te apa, apoi devine mai plata, ptr. a avea o inflexiune cu tg. orizontala in pct. critic si apoi creste repede in regiunea unde se face supra-incalzirea. Aceasta curba nu este altceva decat izobara critica, trasata in diagrama t-i. Vol. specific varia-za dupa curba v, care reprez. si vit. de curg a apei si aburului printr-un tub cu sect. const., deoarece, in acest caz, vit. este proportionala cu vol. specific al am.

Aburul produs intr-o caldare Benson, in pct. critic, dc. ar fi lasat sa se destinda fara supraincalzire, ar avea umidit. de cca. 50 %. De aceea, este absolut necesar ca inainte de utilizare aburul sa fie supra-incalzit cat mai mult. Cum supraincalzirea nu poate fi dusa prea departe, din cauza rezistentei descres-cande a mat. cu temp., aburul, dupa o destind. f. mica, va avea si dupa aceasta prima supraincalzire o umidit. prea mare la o destind. mai pronuntata. De aceea, aburul supra-incalzit in tevile fiebatoare ale calda-rii propriu-zise este trecut mai intai printr-o strangulare (supapa) si apoi este din nou supraincalzit izobar la noua pres. obtinuta dupa stran-gulare, cum se vede in fig.12.

Fig.12 Cicl Clausius-Rankine ptr o caldare la pres. critica

Acum aburul poate fi lasat sa expandeze intr-o turb. de pres. inalta, pana cand atinge umidit. max. permisa de buna funct. a turb. cu abur (titlul min. de cca. 0,9). Dupa aceea se supraincalzeste din nou la noua pres. obt. dupa destind. si este lasat sa se destinda in turb. de pres. joasa, pana la pres. din condensator. Rezulta, deci, ca o inst. de acest fel necesita 2 supraincalzitoare separate de restul generatorului de abur (caldarii) printr-un robinet de strangulare.

Fig.13 Cicl Clausius-Rankine ptr. o calda-re la pres. supracrit.

La exp. caldarii Benson s-a constatat ca ea lucreaza fara deranjamente si la pres. ceva mai mici decat cea critica si ca dificultatile asteptate, din cauza vaporizarii apei cu oarecare crestere de vol. la aceste pres. mai sca-zute, nu se produc, dc. vaporizarea este urmata de suprain-calzire suficient de mare. Exp. facute indica si posibilitatea de a regla sarcina agregatului de pres. inalta prin reglarea in anumite limite, a pres. aburului din el, deci nu cum se procedeaza la inst. normale, unde pres. ramane constanta si variaza numai debitul de abur.

In cazul unei inst. cu vaporizare la pres. supracritica, cicl. de fct. are forma din fig.13. in acest caz nu se mai poate neglija cresterea de temp. obtinuta in pompa de alim., iar izobara de incalzire a apei este plasata deasupra curbei lim. Ca si in cazul calda-rii Benson, nici aici nu mai este necesar sp. de abur, dar va fi necesara o suprain-calzire intermediara chiar at. cand temp. initiala de suprain-calzire a atins lim. max. (astazi de 600 ^oC, dar cu tendinta crescatoare).

Masina cu abur cu pist. 5.1 Diagrama teoretica

Diagrama p-v de funct. a unei masini cu abur cu pist. fara pierderi si fara sp. mort, care este alim. cu abur din suprain-calzitor la pres. p si evac. aburul utilizat la pres. p₀ a conden-satorului, este reprez. in fig.14.

Fig.14 Diagrama p-V a unei masini cu abur cu pist. fara sp. mort Fig. 1.15 Diagrama teoretica p-V a unei masini cu sp. mort

In aceasta diagrama de la 4 la 1 se produ-ce destinderea adia-batica a acestui abur; de la 2 la 3 se execu-ta evac. aburului utilizat spre conden-sator la pres. p₀, iar de la 3 la 4 se face intoarcerea cursei pist. si schimbarea izocora a pres. de la p_o la p. Cicl. complet se executa in timpul a doua curse ale pist., deci masina cu abur lucreaza in doi timpi.

Intrarea si iesirea aburului in si din cil. masinii este coman-data prin supape sau printr-un sertaras. Supapa de admisie se deschide in pct. 4 si se inchide in pct. 1, iar cea de evac. se deschide in 2 si se inchide in 3.

O diagrama mai apropiata de modul real de funct. al masinii cu abur cu pist., desi tot teoretica, este cea reprez. in fig.15, in care tine seama de existenta sp. mort si de comprimarea unei cantit de abur destins care mai ramane in cil. la evac. Menirea acestui abur compri-mat este de a forma un tampon elastic intre pist. si capacul cil. si de a evita ca umplerea sp. mort sa se faca la fiecare ciclu cu abur proas-pat, incepand de la pres. p₀ pana la p. O astfel de diagrama consta din: 1-2 - admisia anticipata a aburului in cil.; 2-3 - admisia aburului in cil.; 3-4 - destind. adiabatica a aburului; 4-5 - evac. anticipa-ta; 5-6 - evac. abu-rului in condensator sau cu o contrapres. oarecare; 6-1 - com-primarea aburului ramas in cil.

Dc. l.m. teoretic (fig.14) se rap. la 1 Kg abur, at. valoarea sa este:

se stie insa ca deci daca se admite o destindere adiabati-ca, se poate scrie si:

Aceasta ec. arata ca l.m. produs de abur in masina are ca echiv. scaderea ental-piei lui. Diferenta de entalpie s.n. si caderea termica.

Din condensator apa este introdusa cu pompa in caldare. Diagrama de lucru a acestei pompe este reprez. in fig.16, unde fazele de lucru in diagrama p-V, ptr. o pompa cu pist., sunt urmat: 3-2' - aspir. apei; 2'-1'- comprim. apei; 1'-4 - impingerea apei in caldare; 4-3 - inversarea izocora a cursei pist. Abaterea liniei 2'-1' de compresiune adiaba-tica de la verticala este neinsemnata, din cauza compresibilit. mici a apei.

Fig.16 Diagrama p-V a unei pompe de apa cu pist.

L.m. consumat de pompa de alim., raportat la 1 Kg apa, avand vol. specific (putin diferit de , din cauza diferentei de temp. si de pres. dintre cele doua stari), compre-siunea 2'-1' fiind adiabatica este:

deci entalpia creste prin pompare de la i₂ la i₁. Marimile de stare ale apei compri-mate nu se refera la curba limita, deoare-ce, chiar dc. apa se afla pe curba limita la terminarea con-densarii, prin com-primarea adiabatica din pompa, ea s-a indepartat putin de aceasta curba. Aceasta indepartare este, insa, atat de mica, incat se poate scrie si se poate face abstractie de compresibilitatea apei. In acest caz, se poate scrie:

L.m. teoretic util al masinii cu abur, raportat la 1 Kg de abur, este dat de diferenta:

In cele mai multe cazuri, este f. mic fata de L.

5.2 Diagrama indicata

Masinile cu abur nu funct., de fapt, in conformitate cu cicl. teoretic din fig.15. Afara de pierderile mecanice, datorita frec. in cuzineti, sau pist. in cil., precum si antrenarii acceso-riilor masinii (pompe de ulei, regulator etc.), pierderi expri-mate prin randam. mec. , masinile au diferite pierderi de caldura care fac ca diagrama reala sa se abata (supraf. ei fiind mai mica) de la diagrama teoretica din fig.14 si chiar de la cea din fig.15. Trasarea diagramei reale in mod teoretic nu este posibila, deoarece ea este spe-cifica si individuala ptr. fiecare exemplar de masina. De aceea ea se traseaza pe masina executata cu ajut. indicatorului. Din studiul ei se pot trage concluzii asupra perfectiunii de executie a masinii reale.

In cazul masinilor cu pist., sursele de pierderi termice sunt urmatoarele: . trece-rea de cald. cu dife-rente finite de temp.;

. amestecarea aburu-lui cu temp. diferite;

. strangularile aburu-lui prin organele de distributie; . schim-bul de cald. cu peretii cil.; . destinderea incompleta a aburu-lui in cil.; . sp. mort.

Se va analiza mai jos fiecare dintre surse.

a)S-a aratat ca, ptr. a transmite cald. in condensator, de la aburul care se con-denseaza la apa de racire, este necesar sa existe o cadere de temp., care, ptr. o capacitate de racire data, este cu atat mai mica, cu cat supraf. de racire a condensa-torului este mai mare si cu cat transmiterea de cald. este mai buna. Transmiterea de cald. este ameli-orata, dc. apa are o vit. mai mare, dar poate fi inrautatita mult prin depuneri de impuritati pe supraf. Aerul infiltrat in condensator inrauta-teste transmiterea de cald., de aceea fieca-re condensator este prevazut cu o pompa de vid. Pierderea de l.m. cauzata de cade-rea de temp. din con-densator este reprez. in fig.17 prin supraf. hasurata, cuprinsa intre temp. de intr. de 35^oC a aburului in con-densator si cea de intr. de 15^oC a apei de racire. La o temp. initiala a abu-rului de 200^oC la cca. 16ata, aceasta pierde-re este de cca. 13% din l.m. teoretic, deci e o pierd. apreciabila.

Fig.17 Pierderile datorita strangulari-lor la admisie si la evac.    Fig.18 Variatia temp. peretelui cil. In timp-ul funct. masinii (fara manta de abur proaspat)

b)Amestecarea abu-rului cu temp. diferi-te este o sursa de pierderi, prin faptul ca aburul mai valoros (cu pres. si temp. mai mare) se degradeaza prin amestecarea lui cu aburul destins, ramas de la cursa anterioara, fara ca primul sa fi produs in prealabil l.m. Aproa-pe toate masinile cu abur cu pist. lucreaza cu dublu efect, adica aburul este admis alternativ pe ambele fete ale pist. In sp. in care intra aburul proaspat, la inceput, se mai afla si abur utilizat, care, cu toata compresiunea la care a fost supus la sfarsitul cursei de evac., n-a fost totusi readus la starea aburului proaspat.

c)Aburul proaspat intra in cil. prin organele de distrib. (sertar, supapa etc.), a caror deschidere si inchidere nu se face brusc de la sect. nula la sect. max. si invers, ci se face treptat. In timpul deschiderii, aburul va curge prin sect. libe-rata cu o vit. care atinge vit. sunetului si care scade, apoi, pe masura ce sect. se mareste. In timpul acestei strangulari entalpia aburului ramane const., dar pres. lui scade, iar pierderea de energ. termica se poate re-cupera numai partial la admisie, pe cand cea de la evac. se duce cu toata cald. sa in condensator, unde este cedata apei de racire a condensato-rului. In fig.17 au fost hasurate pierde-rile datorate strangu-larilor la admisie si evac. Pctele. marcate arata inceputul admi-siei IA si inceputul evac. IE.

d)Una dintre cele mai importante surse de pierderi ale masinilor cu abur cu pist. este schimbul de cald. cu peretii. Prin faptul ca intrarea aburului proaspat se face alternativ pe ambele fete ale pist., fiecare parte a cil. vine in contact alter-nativ cu abur proas-pat si cu abur destins. In consecinta, temp. peretilor cil. va fi cuprinsa intre cea a aburului proaspat si cea a aburului utilizat. La aceasta temp., peretii cil. fac schimbul de cald. cu ext. Variatia temp. aburului, in timpul evolutiei sale in cil., va fi urmarita numai de un strat f. subtire din peretele cil., pe cand restul adopta o temp. de regim (fig.18).

Aburul proaspat, la intr. in cil., va da de pereti mai reci. Dc. aburul nu va fi supra-incalzit, el se va con-densa, in parte, in contact cu peretii. Apa de condensare se va scurge pe la partea inf. a cil. si alt abur va veni in con-tact cu peretii (a caror temp. a variat putin in acest timp) si se va condensa. Dc. aburul este insa suficient de suprain-calzit, el se va raci, fara sa se condenseze si va forma un strat izolator.

Prin destindere, abu-rul proaspat se va raci si el, deci va ajunge la un mom. dat sa aiba aceeasi temp. ca si peretii cil. In acest mom., destinderea aburului se va face adiabatic (pct. 1 din fig.19), deoarece schimbul de cald. cu peretii va fi nul. Prin continua-rea expansiunii abu-rul se raceste si mai mult, devenind mai rece decat peretii cil. Acum, aburul este cel care primeste cald. de la pereti, dar aceasta cald. are temp. joasa, deci mai putin folositoare decat cea cedata de abur peretilor in prima parte a des-tinderii, cu atat mai mult cu cat cea mai mare parte din ea trece cu aburul in condensator, deci ramane neutilizata.

Fig.19 Schimbul de cald. cu peretii

In prima parte a des-tinderii, curba de destindere reala 1'-m-l va fi situata mai la stanga curbei teo-retice, deoarece, prin cedarea de caldura, vol. specific al abu-rului se micsoreaza. In a doua parte a destinderii, vol. spe-cific creste, deoarece aburul primeste cald, deci curba de des-tindere trece putin mai la dreapta.

Ptr. a evita acest gen de pierderi, specifice masinilor cu pist., s-a preconizat imbraca-rea cil. intr-o manta de abur proaspat, construindu-l in acest scop cu pereti dubli. Aburul proaspat face ca temp. de regim a peretilor cil. sa varie-ze acum conform curbei din fig.20, deci schimbul de cald. sa fie favorabil aburului de lucru din cil. Evident ca, prin aceasta masura, se sustrage o parte din abur de la lucrul din cil., ceea ce consti-tuie totusi o pierdere.

Fig.20 Variatia temp. peretelui cil. (cu manta de abur)    Fig.21 Masina cu echicurent

In unele cazuri, cilindrul masinii este izolat cu mat. izolant adecvat, (de obicei azbest) fata de mediul ext.

Micsorarea acestor pierderi se obt. si la masina cu echicu-rent, schitata in fig.21. Aceasta masi-na, desi lucreaza cu dublu efect, totusi face ca aburul sa circule prin cil., ptr. fiecare jumatate a lui, numai intr-un singur sens. Capetele cil., prevazute cu supape, vor veni in contact numai cu abur proaspat, deci cald, luand si ele o temp. apropiata de aceea a aburului proaspat. Partea de mijloc a cil., pe care sunt dispuse canalele de evac. descoperite de pist., ca si in MAI in 2T, va fi in contact numai cu aburul uti-lizat, deci va avea aprox. temp. acestuia.

e)Aburul nu este lasat sa se destinda in masina pana la pres. cu care el intra in condensator, din cau-za ca ultima parte a diagramei ar lungi f. mult cil., fara a aduce un spor apre-ciabil de l.m. Se risca, chiar, ca frec. pist. in acest surplus de cil. sa consume un l.m. mai mare decat cel produs prin conti-nuarea expansiunii.

Fig.22 Diagrama masinii cu expansiu-ne incompleta Fig.23 Diagrama masinii cu diferite grade de admisie

In fig.22 se vede diagrama cu expan-siune incompleta. Supraf. hasurata reprez. l.m. pierdut:

Pierderea prin expan-siune incompleta creste, cum se vede in fig.23, pe masura ce creste gradul de admisie in cil., deci cu cresterea sarc. masinii. Ea atinge valoarea sa max. la admisia totala, cand aburul presteaza in masina numai l.m. izobar In acest caz, pierde-rea prin expansiune incompleta este data de suprafata hasurata din fig.22. La sarc. f. mici, se poate intam-pla ca masina sa ajunga cu expansiu-nea la contrapresiu-nea de evac., inainte ca pist. sa ajunga la capatul cursei sale, deci aceasta se va continua dupa linia    3-2", sub linia con-trapresiunii p₀. si in acest caz se produce o pierdere, deoarece in ultima parte a cursei pist. masina nu mai produce, ci consuma l.m., deoa-rece supraf. 3-2"-4 corespunde unui lucru negativ si se va scadea din partea de deasupra contrapres.

La evac. cu suprapres. l.m., pe care ar mai putea sa-l produca aburul, se transforma intai in energ. cin. si apoi in cald. prin frec. Acesta energ. poate fi facuta utila, ca si la MAI, dc. aburul evac. se trece printr-o turb. core-spunzatoare, proce-deu utilizat la masinile navale de tip mai nou.

f)Daca n-ar exista sp. mort, adica dc. vol. cil. ar deveni nul in pct. de inversare a cursei pist., pres. ar creste brusc de la pres. de evac. la cea de admisie, asa cum se petrec lucrurile in cazul diagramei teo-retice. Ptr. a da supa-pelor un loc in care sa se deschida, sau ptr. a dispune serta-rul in afara cil., de care este legat prin canalele de admisie si evac., sp. mort devine inevitabil

Cum s-a vazut, aburul din cil. nu este complet evac., ci o parte din el ramane in cil., fiind comprimat pana la o pres. apropiata de a aburului proaspat. Totusi, la deschide-rea admisiei, diferen-tele de pres. si temp. se vor completa cu cele ale aburului proaspat, ceea ce reprez., de fapt, tot o pierdere, prin mari-rea consumului spe-cific de abur. Prin comprimarea aburu-lui ramas pana la atingerea pres. abu-rului proaspat, se pot elimina in buna parte aceste pierderi dar se micsoreaza supraf. diagramei indicate, deci puterea masinii va scadea, cum se vede in fig.24, deoa-rece cil. cu cilindreea V_C se comporta ca unul cu cilindreea V'_C.

Fig.24 Comprimarea aburului ramas in cil.

Supraf. 4-3-b-a nu reprez. de fapt o pierdere de energ. termica, ci numai o pierdere de plenitudi-ne a diagramei masi-nii, ca si in cazul compresorului.

Compresiunea aburu-lui utilizat are avan-tajul ca usureaza schimbarea sensului de miscare a pist. in pct. mort. In ultima parte a cursei sale de evac., pist. se misca in contra unui amor-tizor de abur si nu este intarziat numai de mecanismul biela-manivela.

In practica, nu se comprima aburul ramas in cil. pana la pres. aburului proas-pat, ci supapa de evac. se inchide putin mai tarziu, asa ca diagrama are forma 1-2-3'-5-4 din fig.24. Se admite, deci, pierderea supraf 4-4'-5, insa se mareste diagrama cu supraf. 4-3-3'-5, deci cil. e mai bine utiliz.

Randam., consum de abur si cald

In cele ce urmeaza, prin L se noteaza echivalentul l.m. produs de 1 Kg abur intr-o masina fara pierderi, care lucrea-za dupa cicl. Clausius-Rankine.

In caldare si suprain-calzitor se introduce intr-un kg de apa cald. , care este diferenta dintre entalpiile i₁ a aburului la iesirea din supraincalzitor si i_a a apei de alim.

Se noteaza cu L_i echivalentul l.m. det. cu indicatorul la masina reala cu pist. si cu cel masu-rat la arborele masi-nii. In acest caz, se def. urmat. randam.:

- randa. termic al masinii;

- randam. indicat al masinii cu pist.;

- randam. termodi-namic al turb.;

- randam. mec al turb.

Randam. economic sau efectiv al masinii cu piston este:

iar al turb.:

Consumul de abur al turb. se calc. cu formula:

sau in sistemul SIU:

Ptr. a putea compara intre ele diferite masini termice, se det. adeseori consu-mul de cald. C [Kj] pe unitatea de l.m. produs, adica:

sau